溶解性有机质是不均匀、 复杂混合物，广泛存在于土壤、 沉积物、 雨水、 海洋等环境中^[1]，是地球上最大的有机碳库^[2]，在联系陆地与水生环境，全球碳循环中起着重要作用^[3]. 据相关报道^[4]，如果水中溶解性有机质在一年中矿化其总量的1%，它所释放的二氧化碳的量将远大于地球上每年化石燃料燃烧所产生的二氧化碳的量. 虽然，全球每年产生的溶解性有机质大多数被迅速矿化，但仍有一部分溶解性有机质能够不被分解，从而充当长期碳汇^[5,6]. 所以，要提高对全球碳循环过程的认识，就必须更好地了解水中溶解性有机质(DOM)的来源、 迁移以及转化特征. 但是，由于溶解性有机质的来源与组成成分复杂^[7]，基于现行的技术和条件也很难对其组成成分进行详细的分析与研究^{[8, 9, 10, 11]}. 目前能够检测出来的溶解性有机质主要包括碳水化合物、 蛋白质、 类脂物、 木质素、 氨基酸等有限的物质^{[12, 13, 14, 15, 16]}. 基于以上原因，研究者们利用生物标志物(biomarker)实现人们对有机质的来源、 迁移和转化过程的认识成为了可能并取得了显著地成就^{[17, 18, 19]}. 其中，正构烷烃和脂肪酸是作为两种常见的生物标志物，在环境中分布十分广泛，不同的来源具有不同的组合特征，而且稳定性较高，能够用来示踪溶解性有机质的来源、 迁移特征^[20,21].

国内外对于利用正构烷烃、 脂肪酸等类脂物示踪溶解性有机质的研究开始较早且发展迅速，研究区域主要集中于河口及海湾地带^{[22, 23, 24, 25]}. 但对于岩溶区地下河中的研究未见报道. 在我国，南方岩溶地区，大约有2836条地下河，总流量达1482 m³ ·s^-1[26]. 因此，基于类脂物特别是正构烷烃、 脂肪酸示踪地下河中溶解性有机质的来源、 迁移及转化过程，不仅能够有助于弄清岩溶水系统中溶质的形成、 运移及其影响因素，更能够深化对岩溶地质作用碳汇的认识. 本研究试以西南典型岩溶区青木关地下河为例，基于正构烷烃、 脂肪酸示踪溶解性有机质在地下河中的来源、 迁移特征，以期为溶解性有机质在地下河系统的中来源，迁移特征提供借鉴意义.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

青木关岩溶流域位于重庆市北碚区、 沙坪坝区和璧山县的交界处，属于川东平行岭谷华蓥山山系缙云山区，地理坐标为106°16′48″~106°20′10″E，29°40′40″～29°47′N，研究区内背斜成山，向斜成谷，呈“一山二岭一槽”式的典型岩溶槽谷景观. 研究区内地势北高南低，碳酸盐岩地层内发育一条自NNE向SSW流动的地下河，直线距离长约7.4 km，最北端入口为岩口落水洞，沿途不断接受两侧地表水通过落水洞集中流补给，以及非饱和带的裂隙、 空隙、 裂隙水的扩散流补给，流域面积约13.4 km². 地下河主要在流域最南端的姜家泉出露. 研究区多年平均降水量为1250 mm，多年气温为16.5℃，降雨主要集中于4~10月. 植被主要为亚热带常绿针叶林(如马尾松、 杉木和竹子等)和阔叶林(大量为灌木丛，具有旱生，喜钙等特点)，土壤类型主要为石灰土，洼地中有水稻. 区内人类活动以农业生产为主，耕地面积约占流域面积的30%.

根据青木关地下河的分布特点，分别在地下河的主要入口处(岩口：落水洞)、 地下河出露处(姜家龙洞：天窗)和出口处(姜家泉)设置了共3个采样点(图 1). 采样时间为2013年7月31日和10月25日，7月采样期间以晴天为主，没有降雨； 而10月采样期间以雨天为主. 用事先清洗干净(用去离子水清洗3遍，然后放入450℃烘箱灼烧6 h)并现场润洗多次的4 L棕色玻璃瓶收集水样，加入1 mL(5g ·L^-1)的HgCl₂，抑制水中微生物的生长； 然后密封迅速运回实验室，用0.7 μm 的玻璃纤维膜(事先用马弗炉内灼烧4 h)将水样分为溶解相和颗粒相两部分.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Location of sampling sites

样品分析所用的正己烷、 二氯甲烷、 甲醇、 乙酸乙酯均为农残级，购自美国Fisher公司. 玻璃纤维膜(Whatman GF/F，有效孔径0.7 μm)于450℃马弗炉中灼烧6 h，无水硫酸钠(分析纯)于550℃马弗炉中灼烧8 h，分别置于干燥器中冷却密封备用； 脱脂棉经二氯甲烷抽提72 h后风干，密封干燥备用. 盐酸用二氯甲烷萃取6次后备用.

取经过玻璃纤维滤膜(有效孔径0.7 μm)过滤的水样4 L，装入棕色瓶中，用净化后的盐酸酸化至pH<2，摇匀，使用全自动固相萃取系统(美国 Horizon公司，SPE-DEX 4790)萃取(C18膜，直径47 mm，3M公司)，提取液用50 mL鸡心瓶收集，提取液依次经过皂化、 甲基化后，用正己烷萃取其中的正构烷烃和脂肪酸，然后经干燥、 浓缩后，氮吹至0.2 mL，加入内标物，放入-26℃冰箱中待测.

正构烷烃和脂肪酸的检测采用GC-MS分析(Agilent，7890A/5975C)，色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30.0 m×0.32 mm×0.25 μm). 载气为高纯氦气，流速为1mL ·min^-1，进样口温度280℃，升温程序为初始温度50℃，保持1 min后以20℃ ·min^-1升温至200℃，然后再以10℃ ·min^-1的速度升温至290℃，保持15 min. 无分流进样，进样量1 μL. EI电离源70 eV，离子源温度230℃. 采集全扫描数据. 使用内标法进行定量分析. 2 结果与讨论 2.1 溶解态正构烷烃、 脂肪酸的分布特征

表 1为青木地下河样品中溶解态正构烷烃组分及含量. 从中可知，青木关地下河样品中溶解态正构烷烃碳数分布范围为14~32. 7、 10月样品中溶解态正构烷烃的浓度范围分别为：775～2454 ng ·L^-1和264～1457 ng ·L^-1，平均值分别为1354 ng ·L^-1和667ng ·L^-1. 7月样品中溶解态正构烷烃的平均含量较10月高. 据图 2，7月样品中溶解态正构烷烃含量大于10月份样品中溶解态正构烷烃含量，最高值均出现在在岩口处，除10月份姜家泉采样点的值较姜家龙洞采样点高(高约7%)外，样品中溶解态正构烷烃浓度随着地下河运移距离的增加总体呈下降趋势. 表 2为样品中溶解态脂肪酸的浓度分布. 7月和月10样品中溶解态脂肪酸的浓度变化范围分别为12897~45254 ng ·L^-1，3186~11322 ng ·L^-1，平均值分别为242032 ng ·L^-1和2526 ng ·L^-1. 与上述溶解态正构烷烃的含量变化相似，7月样品中溶解态脂肪酸含量较10月溶解态脂肪酸含量高. 图 3为溶解态脂肪酸含量在地下河的分布状态. 可以看出样品中溶解态脂肪酸的含量随着地下河运移距离的增加呈下降趋势，这与前边研究中溶解态正构烷烃含量在地下河中的变化趋势类似. 出现以上现象的原因可能是由于生物活动和地下河水力条件造成的. 夏季生物活动旺盛，生产力高，特别是水中的藻类和细菌等微生物产生大量的溶解性有机质，对溶解性正构烷烃、 脂肪酸的贡献很大. 研究区域内7月气温高、 降雨少，地下河水量减小，对水中的溶解态正构烷烃、 脂肪酸浓度的稀释作用较弱. 10月降雨增多，地下河水量增大，对水中溶解态正构烷烃、 脂肪酸浓度的稀释作用较大. 以上原因可能是导致7月样品中溶解态正构烷烃浓度、 脂肪酸比10月高的原因. 而地下河中周围黏土矿物对溶解性有机质的吸附和细菌等微生物对溶解性有机质的降解^[27]则可能是导致两者含量在地下河运移过程中下降的原因.

表 1(Table 1)

表 1 正构烷烃浓度和分子特征指数 1)/ng ·L-1 Table 1 Contents and characteristic of molecular indexes of alkanes/ng ·L-1 项目 岩口 姜家龙洞 姜家泉 7月 10月 7月 10月 7月 10月 C14 32.0 36.3 30.2 8.70 30.7 2.34 C15 43.7 17.8 28.2 5.12 19.2 20.4 C16 67.4 26.3 52.6 7.11 26.9 7.99 C17 78.5 29.8 71.1 21.9 102 30.8 C18 221 37.3 17.1 14.8 80.2 29.3 C20 459 227 229 26.0 134 41.5 C22 243 156 15.6 6.18 31.7 6.81 C23 270 222 55.3 11.7 63.4 21.4 C24 307 228 7.67 21.2 63.9 25.1 C25 205 204 165 57.3 28.5 21.5 C26 206 67.5 19.4 26.5 40.9 8.22 C27 220 94.9 65.8 5.93 58.8 34.5 C28 82.7 31.2 12.2 5.92 20.4 7.31 C29 n.d 60.2 61.6 45.2 74.3 21.8 C30 11.5 11.8 n.d n.d n.d 2.00 C31 4.38 n.d 1.32 n.d n.d n.d C32 3.37 6.66 n.d n.d n.d 0.52 T-ALK 2454 1457 832 264 775 282 CPI 1.06 2.06 8.28 2.52 1.73 2.54 R/% 36.77 25.73 51.46 31.72 50.73 47.02 OEP 0.83 1.00 5.35 1.16 1.07 0.78 Paq 0.99 0.88 0.78 0.30 0.55 0.66 1)“n.d”表示未检出； T-ALK(ng ·L-1)表示“溶解态正构烷烃浓度总量”；ΣCPI=1/2[Σ(C25~C31)奇数/Σ(C24~C30)偶数+Σ(C25~C31)奇数/Σ(C26~C32)偶数]； R表示“Σ≤C20与浓度总量的百分比”； OEP=(C21+6C23+C25)/4(C22+C24)； Paq=(C23+C25)/(C23+C25+C29+C31)

表 1 正构烷烃浓度和分子特征指数 1)/ng ·L-1 Table 1 Contents and characteristic of molecular indexes of alkanes/ng ·L-1

图 2

Fig. 2

图 2 溶解态正构烷烃质量浓度总量分布 Fig. 2 Distribution of total dissolved alkane contents

图 3

Fig. 3

图 3 溶解态脂肪酸含量分布 Fig. 3 Distribution of total dissolved fatty acid contents

表 2为各种脂肪酸在地下河中的T-FA含量. 通过对7、 10月各脂肪酸的含量特征进行分析，发现样品中溶解态脂肪酸均以SSFA(饱和直链脂肪 酸)含量所占比重最高，约占总溶解态脂肪酸含量 的 32.90%~68.91%. 除7月姜家龙洞和姜家泉中BSFA(饱和支链脂肪酸)的含量比PUFA(多不饱和脂肪酸)高外，各种脂肪酸在地下河中的含量大小依次是SSFA>MUFA(单不饱和脂肪酸)>PUFA> BSFA(饱和支链脂肪酸).

表 2(Table 2)

表 2 各脂肪酸含量及部分参数指标 1)/ng ·L-1 Table 2 Contents and selected ratios of fatty acids in water samples of Qingmuguan Ground River/ng ·L-1 项目 岩口 姜家龙洞 姜家泉 7月 10月 7月 10月 7月 10月 BSFA 2465 449 760 55.1 159 75.2 MUFA 14528 2910 3763 818 4480 807.20 PUFA 13804 482 670 126 1261 132 SSFA 14457 7481 9115 2247 6954 2159 T-FA 45254 11322 14459 3259 12897 3186 UFA/SFA 1.67 0.43 0.92 0.41 0.81 0.42 1)BSFA 表示“饱和支链脂肪酸”； MUFA 表示“单不饱和脂肪酸”； PUFA表示“多不饱和脂肪酸”； SSFA表示“饱和直链脂肪酸”； T-FA(ng ·L-1)表示“脂肪酸含量总量”； UFA/SFA表示“不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值”

表 2 各脂肪酸含量及部分参数指标 1)/ng ·L-1 Table 2 Contents and selected ratios of fatty acids in water samples of Qingmuguan Ground River/ng ·L-1

如表 2所示，各种脂肪酸在地下河的运移过程中其含量均发生了不同程度的降低. 7、 10月BSFA和SSFA的浓度随着地下河运移距离的增加均呈下降的趋势，7月其含量分别由原来的2465、 14457 ng ·L^-1减少到75、 2159 ng ·L^-1，分别减少了约96.95%、 85.07%； 10月则由原来的7481、 2910 ng ·L^-1下降到2159、 807 ng ·L^-1，分别下降了约71.13%、 72.26%. BSFA和PUFA的含量先地下河出露处下降后，在姜家泉处又有所增加，但总体仍处于降低的趋势. 不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acid,UFA)在环境中稳定性差，很容易被降解，而饱和脂肪酸(saturated fatty acid,SFA)在环境中则相对稳定，所以利用UFA/SFA的值可以指示脂肪酸的降解程度^[29]. 7月样品中UFA/SFA值随着地下河运移距离的增加而减小，比值由1.67下降到0.81，显示出地下河中溶解性脂肪酸在地下河的运移过程中发生了显著地降解. 10月脂肪酸在地下河中的降解程度(0.41~0.43)不大，但总体降解程度要高于7月. 一方面，溶解态脂肪酸在经过地下河之前就已经发生了显著地降解，另一方面，则是10月的阴雨天气造成的. 在2013年10月采样期间，天气以降雨为主，连续的降雨使得地下河中的“老水”逐渐被“新水”替代^[30]，而雨水作为“新水”的主要来源，在进入地下河之前，携带了大量地表有机质，通过岩溶裂隙、 溶缝、 落水洞等直接进入地下河，从而造成了溶解态脂肪酸在地下河的运移过程中没有发生显著降解.

碳优势指数(CPI)被认为是判断正构烷烃来源的一个重要参数，已经被广泛地应用于判定正构烷烃的来源. 一般认为高的CPI值(6~10)能够代表陆地高等植物的输入占优势^[31]. 但正构烷烃CPI值不仅与机有质的类型相联系，也和外部地理环境有关. 研究发现^[32]，当处于寒冷气候条件下，沉积物中正构烷烃的高CPI值与寒冷的气候相对应，并指出是由于微生物降解和有机质的矿化作用受到限制造成的. 奇偶优势指数(OEP)是判断正构烷烃来源的另外一个重要指标，一般高的OEP值通常指示高等有机质来源，而低的OEP值一般指示低等生物的来源^[33]，但也有人指出OEP也能够反映细菌的活动，低的OEP值反映了细菌活动强烈或高等植物贡献^[34]，因此，在进行正构烷烃来源判断时必须把CPI和OEP等参数结合在一起，进行综合分析.

图 4为样品中正构烷烃各分子特征参数在地下河中的分布特征. 从中可知，CPI值和OEP值在地下河中的分布趋势趋同，说明两者能够很好的对正构烷烃的来源进行判别. 由表 1可得，7月样品中的CPI值介于1.06~8.28之间，平均值为3.69，最高值(8.28)位于姜家龙洞采样点(天窗). OEP值介于0.83~5.35之间，平均值为2.42； 10月CPI和OEP的值变化不大，变化范围分别为2.06~2.54和0.78~1.07，平均值分别为2.37和0.95. 一般认为短链正构烷烃(C≤20)来源于细菌、 藻类^[35]，本研究利用R来反映地下河中低等生物的相对贡献量. 表 1中，7、 10月样品中R值分别为岩口：36.77%、 25.73%，姜家龙洞：51.46%、 31.72%，姜家泉：50.73%、 47.02%. 随着地下河运移距离的增加R值呈增加的趋势，并与CPI、 OEP值变化趋同. 对比CPI值、 OEP值发现，其最高值均出现在7月姜家龙洞采样点，即当CPI、 OEP值为8.28、 5.35时，对应的R值为51.46%. 这说明，CPI和OEP在这里不能作为反映正构烷烃来源的指标，而是反映细菌降解活动的指标. 7月研究区域内炎热干旱，采样期间发现地下河水位下降严重且几近干涸. 姜家龙洞采样点作为一个天窗，空间广阔，无外部阳光直射. 在地下河水流不大的情况下，流经姜家龙洞处的地下水能与外部空气长期接触，又因温度较低(相对于外部)且无阳光照射，细菌活动降低，于是对短链正构烷烃的降解减弱，从而使得R值相应增大，另一方面，天窗里面的洞穴滴水从土壤中携带了大量的微生物，直接进入地下河中也可能使得低碳数正构烷烃的贡献增加. 10月降雨较充沛，上游洼地中的水通过落水洞直接进入地下河中，短时间内成为地下河水的最大补给来源，而洼地中生长着大量的以空心莲子草[Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb]为主的浮游/挺水植物早已开始腐烂、 降解，这些有机质溶于水中通过落水洞进入地下河中.

图 4

Fig. 4

图 4 正构烷烃分子特征参数 Fig. 4 Characteristic of molecular indices of alkanes

Paq指数是用来判断水生植物对正构烷烃的相对贡献量，如果Paq<0.1，表示主要来源于陆地高等植物，0.1[35]. 7月Paq值介于0.55~0.99之间，平均值为0.77. 表明样品中正构烷烃中高等植物主要来源于上游中的浮水/挺水植物，且在岩口采样点处为溶解态正构烷烃的主要来源，随着地下河运移距离的增加，浮水/挺水植物的相对贡献量下降，细菌等微生物的相对贡献量增大. 10月Paq值介于0.33~0.88之间，平均值为0.72，显示浮水/挺水植物为主要高等植物的贡献者，结合R值表明，溶解态正构烷烃主要以浮水/挺水植物为贡献者，但细菌等微生物的相对贡献量逐渐加大.

表 3为样品中溶解态脂肪酸的组成特征. 从中可知，样品中饱和直链脂肪酸(SSFA)以C16:0 所占比重最高，占总脂肪酸含量的18.08%~40.50%，其次为C16:0和C14:0，呈单峰模式，主峰碳数为C16:0，在C10 到C24之间以偶碳数占优势. 表明样品中的脂肪酸主要来源于浮游生物、 细菌和藻类等有机质^[36]. 另外，在C23到C28之间也有少量的分布，表明有一定量的陆地高等植物贡献. BSFA在样品中所占的比重较小，大部分小于总脂肪酸含量的1%，以MeC14:0、 3MeC16:0、 MeC17:0为代表，多指示细菌来源^{[37, 38]}. 不饱和脂肪酸一般被认为是真核藻和细菌输入的标志，如C16:1ω9 被认为是真核藻输入的标志^[39]，C16:1ω7和C18:1ω7则被认为是来源于细菌^[40]，C18:1ω9则是浮游动物产生的标志^[41]. 样品中MUFA占总脂肪酸含量的25.34%~36.39%，其中以C18:1ω9t和C16:1ω9c所占比重最大，分别约占总脂肪酸含量的9.65%、 7.13%. 另外，C18:1ω5t、 C18:1ω7c和C16:1ω9t等单不饱和脂肪酸也有少量的检出. PUFA以C18:2ω6,9c所占比重最高，另外C16:2ω6,9、 C18:2ω5,8、 C18:3ω3,6,9也有少量的检出. C18:2ω6,9c被认为是真菌输入的标志^[42]，C18:2ω6,9c可能是由于地表物质在降雨的冲刷下，随着岩溶缝隙、 漏斗等进入地下河中的. 综合分析，青木关地下河中溶解态正脂肪酸主要来源于细菌等微生物.

表 3(Table 3)

表 3 样品中溶解态脂肪酸组成及其在总脂肪酸中比例 1)/% Table 3 Variations of dissolved fatty acid compositions and its percentage in total fatty acids/% 项目 岩口 姜家龙洞 姜家泉 7月 10月 7月 10月 7月 10月 饱和直链脂肪酸 C12:0 0.45 1.65 1.27 0.96 1.19 1.63 C14:0 4.11 6.92 5.97 3.20 4.50 5.35 C15:0 1.65 3.92 3.63 1.99 1.81 3.53 C16:0 18.08 35.84 34.97 37.14 30.98 40.50 C17:0 0.51 1.10 0.77 0.80 0.54 1.08 C18:0 3.96 10.90 13.05 17.97 10.21 10.60 C20:0 0.59 1.27 0.76 0.82 0.81 0.90 C21:0 0.42 0.80 0.53 1.80 1.16 0.65 C22:0 0.94 1.40 0.75 1.82 1.25 1.36 饱和支链脂肪酸 MeC14:0 1.27 0.98 0.38 0.23 0.33 0.40 6MeC14:0 0.69 0.97 1.48 0.00 0.00 0.00 MeC15:0 0.22 1.23 0.95 0.35 0.44 0.57 3MeC16:0 0.16 0.34 1.22 0.52 0.13 1.02 MeC17:0 1.74 0.34 0.24 0.24 0.20 0.21 单不饱和脂肪酸 C14:1ω5 0.39 0.86 1.04 0.42 0.54 0.85 C16:1ω9t 0.69 1.31 1.37 0.53 0.77 8.23 C16:1ω9c 6.88 7.49 10.38 4.63 5.16 8.23 C16:1ω7c 5.37 0.00 0.00 0.00 6.94 0.00 C17:1ω7c 1.02 2.01 0.00 0.05 1.04 0.10 C18:1ω9t 13.50 6.48 8.23 7.66 14.23 7.79 C18:1ω7t 0.58 1.22 0.64 1.71 0.48 1.27 C18:1ω7c 1.12 1.68 0.65 0.91 1.92 0.76 C18:1ω5t 1.43 2.88 3.82 5.55 2.18 4.10 C22:1ω9c 0.44 1.30 0.53 3.82 0.84 1.09 多不饱和脂肪酸 C16:2ω6,9 2.36 0.00 0.04 0.04 0.60 0.02 C18:2ω6,9c 13.24 3.03 3.15 61.37 5.56 2.87 C18:2ω5,8 0.12 0.00 1.06 0.87 2.40 0.79 C18:3ω3,6,9 13.50 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1)“比例表示与总脂肪酸含量的比值大于1%的单体脂肪酸”

表 3 样品中溶解态脂肪酸组成及其在总脂肪酸中比例 1)/% Table 3 Variations of dissolved fatty acid compositions and its percentage in total fatty acids/%

(1)7、 10月样品中溶解态正构烷烃、 脂肪酸的含量差异较大，随地下河运移距离的增加其含量均有下降. 青木关地下河对溶解态正构烷烃、 脂肪酸的含量均存在明显的削弱作用.

(2)7月地下河中溶解态正构烷烃主要来源于细菌等微生物，10月溶解态正构烷烃主要来源于上游的水生植物，但在流经地下河过程中细菌等微生物的相对贡献量逐渐增大.

(3)各溶解态脂肪酸在地下河运移过程中均发生不同程度的变化，7月不饱和脂肪酸在地下河运移过程中降解过程明显，10月降解过程不明显但降解程度较7月高.